DE102009053406A1 - Method for the spatially resolved enlargement of nanoparticles on a substrate surface - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung und größenmäßigen Feineinstellung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche sowie die so hergestellten Nanopartikel-Anordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen und deren Verwendung. Die vorliegende Erfindung betrifft speziell ein Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung von Edelmetall-Nanopartikeln, die auf einem Substrat vorliegen, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellung eines mit Edelmetall-Nanopartikeln beschichteten Substrats, b) gegebenenfalls Funktionalisierung des Substrats mit einem Agens, welches die Haftung der Edelmetall-Nanopartikel an dem Substrat unterstützt, c) Kontaktierung des Substrats mit einer Edelmetallsalzlösung, d) UV-Bestrahlung des Substrats in Kontakt mit der Edelmetallsalzlösung, wodurch eine Reduktion des Edelmetallsalzes und eine stromlose Abscheidung von elementarem Edelmetall auf den Edelmetall-Nanopartikeln und entsprechendes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in den bestrahlten Bereichen des Substrats veranlasst wird, und e) gegebenenfalls Verwendung einer Maske, um ein lokalisiertes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in vorbestimmten Bereichen des Substrats zu veranlassen.The invention relates to methods for spatially resolved magnification and size fine adjustment of precious metal nanoparticles on a substrate surface and the nanoparticle assemblies and nanostructured substrate surfaces thus prepared and their use. Specifically, the present invention relates to a method of spatially resolved magnification of noble metal nanoparticles present on a substrate comprising the steps of: a) providing a substrate coated with noble metal nanoparticles, b) optionally functionalizing the substrate with an agent which c) contacting the substrate with a noble metal salt solution, d) UV irradiation of the substrate in contact with the noble metal salt solution, thereby reducing the noble metal salt and electroless deposition of elemental noble metal on the noble metal nanoparticles and causing appropriate growth of the noble metal nanoparticles in the irradiated areas of the substrate, and e) optionally using a mask to cause localized growth of the noble metal nanoparticles in predetermined areas of the substrate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung und größenmäßigen Feineinstellung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche sowie die so hergestellten Nanopartikel-Anordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen und deren Verwendung.The present invention relates to methods for spatially resolved magnification and size fine tuning of noble metal nanoparticles on a substrate surface, and to the nanoparticle assemblies and nanostructured substrate surfaces so prepared and their use.

In den letzten Jahren haben Nanostrukturen, insbesondere geordnete Strukturen von Edelmetall-Nanopartikeln auf Substratoberflächen, großes Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen auf unterschiedlichen Gebieten gefunden. Beispielsweise können Gold-Nanopartikel in biochemischen Sensoren eingesetzt ( Dyckman und Bogatyrev (2007), Russian Chemical Reviews 76(2), 181–194 ) und als Ätzmasken zur Herstellung biomimetischer Ober- und Grenzflächen verwendet werden ( Lohmüller et al. (2008), NANO LEITERS 8(5): 1429–1433 ).In recent years, nanostructures, especially ordered structures of noble metal nanoparticles on substrate surfaces, have found great interest in a variety of applications in various fields. For example, gold nanoparticles can be used in biochemical sensors ( Dyckman and Bogatyrev (2007), Russian Chemical Reviews 76 (2), 181-194 ) and as etching masks for the production of biomimetic interfaces and interfaces ( Lohmüller et al. (2008), NANO LEITERS 8 (5): 1429-1433 ).

Für viele dieser Anwendungen wäre es sehr wünschenswert, die Größe dieser Nanopartikel lokal und im Nanometermaßstab auf makroskopischen Substraten möglichst präzise einstellen zu können. Beispielsweise könnten an größere Nanopartikel mehr Linkermoleküle und damit auch mehr gewünschte Targetmoleküle gebunden werden und diese Kapazität zur Herstellung von Konzentrationsgradienten eines gegebenen Antigens auf einem Substrat genutzt werden. So könnten z. B. auf einfache Weise konzentrations-sensitive Biochips hergestellt werden. Auch für die obengenannte Verwendung als Ätzmasken wäre eine Feineinstellung der Partikelgröße mit hoher räumlicher Auflösung sehr vorteilhaft. Eine solche Feineinstellung würde beispielsweise die Herstellung komplexer nano-optischer Elemente wie Fresnel-Linsen und Zonenplatten ermöglichen. Geordnete Areale von Edelmetall-Nanopartikeln mit vorgegebenen Durchmessern könnten auch vorteilhaft in neuen Transistoren ( Sato et al. (1997), American Institute of Physics 82(2), 696–702 ) oder für das Fluoreszenz-Quenching ( Fan et al. (2003), PNAS, 100 (1), 6297–6301 ) verwendet werden.For many of these applications it would be highly desirable to be able to set the size of these nanoparticles as precisely as possible locally and on a nanometer scale on macroscopic substrates. For example, larger linker molecules and hence more desired target molecules could be bound to larger nanoparticles and this capacity used to produce concentration gradients of a given antigen on a substrate. So z. For example, concentration-sensitive biochips can be produced in a simple manner. Even for the above-mentioned use as etching masks, a fine adjustment of the particle size with high spatial resolution would be very advantageous. Such a fine adjustment would allow, for example, the production of complex nano-optical elements such as Fresnel lenses and zone plates. Ordered areas of noble metal nanoparticles with given diameters could also be advantageously used in new transistors ( Sato et al. (1997), American Institute of Physics 82 (2), 696-702 ) or for fluorescence quenching ( Fan et al. (2003), PNAS, 100 (1), 6297-6301 ) be used.

Die Größe von Edelmetall-Nanopartikeln, insbesondere Gold-Nanopartikeln, kann grundsätzlich vor dem Aufbringen auf die Substratoberfläche, z. B. bei Verwendung von. Metallkolloiden ( Kimling et al. (2006), J. Phys. Chem. B., 110, 15700–15707 ), oder nach dem Aufbringen, z. B. durch stromlose Abscheidung unter Verwendung eines Reduktionsmittels ( Hrapovic et al. (2007), Langmuir 19: 3958–3965 ) eingestellt werden. Bei diesen im Stand der Technik beschriebenen Verfahren ist jedoch nur eine begrenzte Größeneinstellung möglich und vor allem keine räumlich aufgelöste Einstellung der Nanopartikelgröße.The size of noble metal nanoparticles, in particular gold nanoparticles, can in principle before application to the substrate surface, for. B. when using. Metal colloids ( Kimling et al. (2006) J. Phys. Chem. B., 110, 15700-15707 ), or after application, for. By electroless deposition using a reducing agent ( Hrapovic et al. (2007), Langmuir 19: 3958-3965 ). In these methods described in the prior art, however, only a limited size adjustment is possible and above all no spatially resolved adjustment of the nanoparticle size.

In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 017 032 und der entsprechenden internationalen Anmeldung PCT/EP2008/0071981 werden Verfahren zur Erzeugung von Interpartikeldistanz- und Partikelgrößengradienten in Gold-Nanopartikelanordnungen, die mittels mizellarer Block-Copolymer-Nanolithographie (BCML) hergestellt wurden, beschrieben. Bei diesen Verfahren werden Partikelgrößengradienten entweder durch stromlose Abscheidung aus einer Lösung, die elementares Gold enthält, wie oben, jedoch unter Variation der Geschwindigkeit, mit der eine mit Nanopartikeln bedeckte Substratoberfläche aus dieser Lösung herausgezogen wird, oder durch Bestrahlung mit einem lateral intensitätsmodulierten Lichtfeld erzeugt.In the German patent application DE 10 2007 017 032 and the corresponding international application PCT / EP2008 / 0071981 For example, methods for generating interparticle distance and particle size gradients in gold nanoparticle arrays made by micellar block copolymer nanolithography (BCML) are described. In these methods, particle size gradients are generated either by electroless deposition from a solution containing elemental gold as above, but varying the rate at which a nanoparticle-coated substrate surface is withdrawn from this solution or by irradiation with a laterally intensity-modulated light field.

Diese Verfahren sind jedoch noch nicht völlig zufriedenstellend und für alle Anwendungen geeignet, da es schwierig ist, mehrere Bereiche mit stark unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Nanopartikel und hoher räumlicher Auflösung nebeneinander zu erzeugen.However, these methods are not yet completely satisfactory and suitable for all applications, since it is difficult to produce several regions with widely differing average diameters of the nanoparticles and high spatial resolution side by side.

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung war somit die Bereitstellung von verbesserten Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung und größenmäßigen Feineinstellung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche, mit denen auch sehr scharfe Partikelgrößengradienten oder Nanopartikelanordnungen, die mehrere Bereiche mit stark unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Nanopartikel und hoher räumlicher Auflösung nebeneinander enthalten, auf einfache und effiziente Weise hergestellt werden können. Eine damit in Zusammenhang stehende Aufgabe war die Bereitstellung der entsprechenden Nanopartikelanordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen. Eine weitere Aufgabe war die Bereitstellung der erfindungsgemäß hergestellten Nanopartikelanordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen für verschiedene Verwendungen, die bisher aufgrund der nicht oder in nicht ausreichendem Umfang möglichen größenmäßigen Feinstellung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche für solche Edelmetall-Nanopartikelanordnungen nicht in Frage kamen.It has thus been a primary object of the present invention to provide improved methods of spatially resolved magnification and size fine tuning of noble metal nanoparticles on a substrate surface, which may involve very sharp particle size gradients or nanoparticle arrays comprising multiple regions of widely differing nanoparticle mean diameters and high spatial resolution juxtaposed, can be made in a simple and efficient way. A related task was to provide the appropriate nanoparticle assemblies and nanostructured substrate surfaces. A further object was the provision of the nanoparticle arrangements and nanostructured substrate surfaces produced according to the invention for various uses which hitherto were out of the question for such noble metal nanoparticle arrangements owing to the inadequate or inappropriately possible quantitative precision of noble metal nanoparticles on a substrate surface.

Erfindungsgemäß wurde nun festgestellt, dass die oben genannte Hauptaufgabe gelöst werden kann durch Bereitstellung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem ein mit (vorzugsweise fixierten) Edelmetall-Nanopartikeln beschichtetes Substrat mit einer Edelmetallsalzlösung kontaktiert wird und durch UV-Bestrahlung von bestimmten vorgegebenen Bereichen eine lokalisierte und kontrollierte Vergrößerung der Nanopartikel in diesen Bereichen veranlasst wird. Die obengenannten weiteren Aufgaben werden durch Bereitstellung der Nanopartikelanordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen nach den Ansprüchen 17 und 18 sowie die Verwendung nach Anspruch 22 gelöst. Speziellere Ausführungsformen und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.According to the invention, it has now been found that the above-mentioned main object can be achieved by providing the method according to claim 1, in which a substrate coated with (preferably fixed) noble metal nanoparticles is contacted with a noble metal salt solution and localized by UV irradiation of certain predetermined areas and controlled enlargement of the nanoparticles in these areas is initiated. The above-mentioned further objects are achieved by providing the nanoparticle assemblies and nanostructured substrate surfaces according to claims 17 and 18 and the Use according to claim 22 solved. More specific embodiments and other aspects of the present invention are the subject of the further claims.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung von Edelmetall-Nanopartikeln, die auf einem Substrat vorliegen, umfassend die folgenden Schritte:

  • a) Bereitstellung eines mit Edelmetall-Nanopartikeln beschichteten Substrats,
  • b) gegebenenfalls Funktionalisierung des Substrats mit einem Agens, welches die Haftung der Edelmetall-Nanopartikel an dem Substrat unterstützt,
  • c) Kontaktierung des Substrats mit einer Edelmetallsalzlösung,
  • d) UV-Bestrahlung des Substrats in Kontakt mit der Edelmetallsalzlösung, wodurch eine Reduktion des Edelmetallsalzes und eine stromlose Abscheidung von elementarem Edelmetall auf den Edelmetall-Nanopartikeln und entsprechendes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in den bestrahlten Bereichen des Substrats veranlasst wird,
  • e) gegebenenfalls Verwendung einer Maske, um ein lokalisiertes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in vorbestimmten Bereichen des Substrats zu veranlassen.
The present invention relates to a method for spatially resolved magnification of noble metal nanoparticles present on a substrate, comprising the following steps:
  • a) providing a substrate coated with noble metal nanoparticles,
  • b) optionally functionalizing the substrate with an agent which promotes adhesion of the noble metal nanoparticles to the substrate,
  • c) contacting the substrate with a noble metal salt solution,
  • d) UV irradiation of the substrate in contact with the noble metal salt solution, thereby causing reduction of the noble metal salt and electroless deposition of elemental noble metal on the noble metal nanoparticles and corresponding growth of the noble metal nanoparticles in the irradiated areas of the substrate,
  • e) optionally using a mask to cause localized growth of the noble metal nanoparticles in predetermined areas of the substrate.

Die Bereitstellung eines mit Edelmetall-Nanopartikeln beschichteten Substrats im obigen Schritt a) kann grundsätzlich mit allen im Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen. Beispielsweise kann eine Edelmetallkolloid-Schicht auf die Substratoberfläche aufgebracht werden (vgl. Hrapovic et al., oben). Eine andere, erfindungsgemäß bevorzugte Methode falls geordnete Nanopartikelstrukturen bereitgestellt werden sollen, besteht in der Erzeugung einer Edelmetall-Nanopartikelanordnung auf einem Substrat durch mizellare Nanolithographie, spezieller mizellare Blockcopolymer-Nanolithographie (BCML) (siehe z. B. EP 1 027 157 ). Bei der mizellaren Blockcopolymer-Nanolithographie wird eine mizellare Lösung eines Blockcopolymers auf ein Substrat abgeschieden, z. B. durch Tauchbeschichtung, und bildet unter geeigneten Bedingungen auf der Oberfläche eine geordnete Filmstruktur von chemisch unterschiedlichen Polymerdomänen, die unter anderem von Typ, Molekulargewicht und Konzentration des Blockcopolymers abhängt. Die Mizellen in der Lösung können mit anorganischen Salzen beladen werden, die nach der Abscheidung mit dem Polymerfilm zu anorganischen Nanopartikeln reduziert werden können. Zur Entfernung des Polymers wird in der Regel eine Plasmabehandlung, z. B. mit Wasserstoffplasma, durchgeführt.The provision of a substrate coated with noble metal nanoparticles in the above step a) can in principle be carried out by all methods known in the prior art. For example, a noble metal colloid layer can be applied to the substrate surface (cf. Hrapovic et al. above). Another preferred method according to the invention, if ordered nanoparticle structures are to be provided, is the production of a noble metal nanoparticle arrangement on a substrate by micellar nanolithography, in particular micellar block copolymer nanolithography (BCML) (see, for example, US Pat. EP 1 027 157 ). In micellar block copolymer nanolithography, a micellar solution of a block copolymer is deposited on a substrate, e.g. As by dip coating, and forms under suitable conditions on the surface of an ordered film structure of chemically different polymer domains, which depends inter alia on the type, molecular weight and concentration of the block copolymer. The micelles in the solution can be loaded with inorganic salts, which can be reduced to inorganic nanoparticles after deposition with the polymer film. To remove the polymer is usually a plasma treatment, for. B. with hydrogen plasma performed.

Das erfindungsgemäß verwendete Substratmaterial ist grundsätzlich nicht besonders beschränkt und kann jegliches Material umfassen, solange es unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beständig ist und die stattfindenden Reaktionen nicht beeinträchtigt oder stört. Das Substrat kann beispielsweise aus Glas, SiO2, Silicium, Metallen (mit oder ohne passivierte(n) Oberflächen), Halbleitermaterialien, z. B. GaAs, GaP, GaInP, AlGaAs, (gegebenenfalls dotierten) Metalloxiden, z. B. ZnO, TiO2, Kohlenstoff (Graphit, Diamant), Polymeren etc. und Kompositmaterialien davon ausgewählt sein. Für einige Anwendungen sind transparente Substrate wie Glas oder ITO auf Glas bevorzugt.The substrate material used in the invention is basically not particularly limited and may include any material as long as it is stable under the conditions of the process of the present invention and does not interfere with or interfere with the reactions taking place. The substrate may be, for example, glass, SiO 2 , silicon, metals (with or without passivated surfaces), semiconductor materials, e.g. GaAs, GaP, GaInP, AlGaAs, (optionally doped) metal oxides, e.g. ZnO, TiO 2 , carbon (graphite, diamond), polymers, etc., and composite materials thereof. For some applications, transparent substrates such as glass or ITO on glass are preferred.

Das Edelmetall der Nanopartikel ist ebenfalls nicht besonders beschränkt und kann jedes im Stand der Technik für solche Nanopartikel bekannte Edelmetall oder Mischungen bzw. Komposite von mehreren Edelmetallen (Hybridpartikel) oder Mischungen eines Edelmetalls mit einem anderen Metall umfassen. Vorzugsweise ist das Edelmetall aus der Gruppe aus Au, Pt, Pd, Ag oder Mischungen/Komposite dieser Metalle ausgewählt und besonders bevorzugt handelt es sich um Gold.Also, the noble metal of the nanoparticles is not particularly limited and may include any noble metal known in the art for such nanoparticles, or composites of plural noble metals (hybrid particles) or mixtures of a noble metal with another metal. Preferably, the noble metal is selected from the group consisting of Au, Pt, Pd, Ag or mixtures / composites of these metals and most preferably is gold.

Die ursprünglichen Nanopartikel haben typischerweise Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 100 nm, vorzugsweise von 4 nm to 30 nm. Die Interpartikeldistanzen können nach Wunsch über einen breiten Bereich variiert werden, beispielsweise in einem Bereich von 20 to 1000 nm, typischerweise im Bereich von 30 bis 250 nm.The original nanoparticles typically have diameters in the range of 1 nm to 100 nm, preferably 4 nm to 30 nm. The interparticle distances can be varied over a wide range, for example, in a range of 20 to 1000 nm, typically in the range of 30 up to 250 nm.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wichtig, dass eine gute Haftung der Edelmetall-Nanopartikel auf der Substratoberfläche gewährleistet ist. Zur Verbesserung der Haftung kann daher das Substrat erforderlichenfalls nach der Aufbringung der Nanopartikel, jedoch vor deren Vergrößerung, mit einem Agens behandelt werden, welches die Haftung der Nanopartikel unterstützt. Insbesondere bei Verwendung einer mit Gold-Nanopartikeln beschichteten Substratoberfläche aus Glas oder Siliciumdioxid, aber auch bei Si-, ZnO-, TiO2-, GaAs-Oberflächen und ähnlichen Oberflächen ist es bevorzugt, das Substrat mit einem Agens zu behandeln, welches die Haftung der Gold-Nanopartikel unterstützt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Silan, insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, welche aus 3-Aminopropyltriethoxysilan (APS), 3-Mercaptopropyltriethoxysilan (MPS), N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin, 3-[2-(2-Aminoethylamino)ethylamino]propyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyldimethylmethoxysilan, 3-Aminopropyl)-tris(trimethylsiloxy)silan und 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan besteht.For carrying out the method according to the invention, it is important that good adhesion of the noble metal nanoparticles to the substrate surface is ensured. To improve the adhesion, therefore, the substrate may, if necessary, after the application of the nanoparticles, but before their enlargement, be treated with an agent which supports the adhesion of the nanoparticles. In particular, when using a coated with gold nanoparticles substrate surface of glass or silica, but also in Si, ZnO, TiO 2 , GaAs surfaces and similar surfaces, it is preferable to treat the substrate with an agent which the adhesion of the Supported gold nanoparticles. It is preferably a silane, in particular selected from the group consisting of 3-aminopropyltriethoxysilane (APS), 3-mercaptopropyltriethoxysilane (MPS), N- [3- (trimethoxysilyl) propyl) ethylenediamine, 3- [2- (2 -Aminoethylamino) ethylamino] propyltrimethoxysilane, 3-aminopropyldimethylmethoxysilane, 3-aminopropyl) tris (trimethylsiloxy) silane and 3-mercaptopropyltrimethoxysilane.

Bei der Edelmetallsalzlösung, die in Schritt c) mit der Substratoberfläche in Kontakt gebracht wird, kann es sich grundsätzlich um jede Metallsalzlösung handeln, die zur UV-induzierten stromlosen Abscheidung des gewünschten Edelmetalls auf den Edelmetall-Nanopartikeln geeignet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich dabei um eine wässrige Metallsalzlösung, der eine organische Verbindung zugesetzt wurde, welche bei bzw. nach UV-Bestrahlung organische Radikale bildet, die als Reduktionsmittel für die Edelmetallionen dienen. Vorzugsweise ist diese organische Verbindung aus der Gruppe aus Aldehyden, Ketonen oder Alkoholen, insbesondere C1-C10-Alkoholen, ausgewählt. Besonders bevorzugt ist der C1-C10-Alkohol aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol und Ethylenglycol ausgewählt. Der Anteil der organischen Verbindung kann zur Variation der Geschwindigkeit und des Ausmaßes der Reduktion vom Fachmann unschwer durch Routineversuche eingestellt werden. Typischerweise wird das Volumenverhältnis von wässriger Metallsalzlösung und organischer Verbindung in einem Bereich von 100:1 bis 1:2, bevorzugter 10:1 bis 1:1, z. B. 3:1 oder 1:1, liegen.In the noble metal salt solution, which in step c) brought into contact with the substrate surface In principle, it can be any metal salt solution which is suitable for UV-induced electroless deposition of the desired noble metal on the noble metal nanoparticles. In a preferred embodiment, this is an aqueous metal salt solution to which an organic compound has been added, which forms organic radicals during or after UV irradiation, which serve as a reducing agent for the noble metal ions. This organic compound is preferably selected from the group consisting of aldehydes, ketones or alcohols, in particular C 1 -C 10 -alcohols. More preferably, the C 1 -C 10 alcohol is selected from methanol, ethanol, propanol, butanol and ethylene glycol. The proportion of the organic compound may be readily adjusted by a person skilled in the art to vary the rate and extent of reduction by routine experimentation. Typically, the volume ratio of aqueous metal salt solution to organic compound will range from 100: 1 to 1: 2, more preferably 10: 1 to 1: 1, e.g. B. 3: 1 or 1: 1, lie.

In einer speziellen Ausführungsform ist die Edelmetallsalzlösung eine Goldsalzlösung, vorzugsweise eine HAuCl4-Lösung.In a specific embodiment, the noble metal salt solution is a gold salt solution, preferably a HAuCl 4 solution.

Die Dauer der UV-Bestrahlung kann in Abhängigkeit von dem Ausmaß der gewünschten Nanopartikelvergrößerung und den jeweiligen Substratparametern variieren und eine geeignete Bestrahlungsdauer kann vom Fachmann unschwer mit Routineversuchen eingestellt werden. Typischerweise wird die UV-Bestrahlung für eine Dauer im Bereich von 1 bis 60 Minuten, vorzugsweise 1 bis 15 Minuten, und bei einer Wellenlänge im Bereich von 200 bis 600 nm, vorzugsweise 200 bis 400 nm, durchgeführt.The duration of UV irradiation may vary depending on the extent of nanoparticle enlargement desired and the particular substrate parameters, and a suitable irradiation time may readily be set by a person skilled in the art with routine experimentation. Typically, the UV irradiation is carried out for a duration in the range of 1 to 60 minutes, preferably 1 to 15 minutes, and at a wavelength in the range of 200 to 600 nm, preferably 200 to 400 nm.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass die Bedingungen der UV-Bestrahlung für mindestens zwei. verschiedene Bereiche des Substrats variiert werden, sodass auf dem Substrat mindestens zwei verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel erzeugt werden. Diese Variation der Bedingungen der UV-Bestrahlung ist oder umfasst beispielsweise eine Variation der Bestrahlungsdauer.Preferably, the method according to the invention is carried out such that the conditions of the UV irradiation for at least two. different regions of the substrate are varied so that at least two different regions with different average diameters of the noble metal nanoparticles are produced on the substrate. This variation of the conditions of UV irradiation is or includes, for example, a variation of the irradiation time.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung einer Maske (Schritt e)) durchgeführt, um ein lokalisiertes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in vorbestimmten Bereichen des Substrats zu veranlassen.In a preferred embodiment, the method of the invention is performed using a mask (step e)) to cause localized growth of the noble metal nanoparticles in predetermined regions of the substrate.

In einer spezielleren Ausführungsform weist die Maske Strukturen auf, die unter geeigneten Bestrahlungsbedingungen eine Beugung des eingestrahlten UV-Lichts erlauben, und das Verfahren wird unter solchen Bedingungen, insbesondere einer geeigneten Wellenlänge, durchgeführt, dass bei der Bestrahlung ein Diffraktionsmuster oder Helligkeitsmuster auf der Substratoberfläche gebildet wird und das Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel selektiv in den stärker bestrahlten Bereichen des Diffraktionsmusters oder Helligkeitsmusters veranlasst wird.In a more specific embodiment, the mask has structures which allow diffraction of the irradiated UV light under suitable irradiation conditions, and the method is carried out under such conditions, in particular a suitable wavelength, that a diffraction pattern or pattern of brightness is formed on the substrate surface during the irradiation and the growth of noble metal nanoparticles is selectively induced in the more irradiated areas of the diffraction pattern or pattern of brightness.

Diese Strukturen können beispielsweise eine oder mehrere Lochblenden mit einem kleinem Lochdurchmesser, vorzugsweise < 100 μm, bevorzugter < 10 μm, andere Beugungsgitter, Beugungskanten, periodische Muster oder Gradienten wie graduelle Graufilter umfassen. Die Lochblenden können beispielsweise eine kreisförmige, elliptische, rechteckige oder dreieckige Form aufweisen.These structures may include, for example, one or more pinhole apertures having a small hole diameter, preferably <100 μm, more preferably <10 μm, other diffraction gratings, diffraction edges, periodic patterns or gradients such as gradual gray filters. The pinhole diaphragms may, for example, have a circular, elliptical, rectangular or triangular shape.

Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die Lochblende(n) einen kreisförmigen Durchmesser hat/haben, so dass bei der Bestrahlung ein Diffraktionsmuster von konzentrischen Ringen auf der Substratoberfläche gebildet wird und die erzeugten verschiedenen Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ebenfalls ein Muster konzentrischer Ringe bilden.According to the present invention, it is particularly preferable that the pinhole (n) has a circular diameter such that a diffraction pattern of concentric rings is formed on the substrate surface during irradiation, and the generated different regions having different mean diameters of the noble metal nanoparticles also become a pattern form concentric rings.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer nanostrukturierten Substratoberfläche, umfassend die Schritte a)–e) nach einem der Ansprüche 1–12 sowie ferner:

  • f) Unterwerfen des Substrats mit der in den Schritten a)–e) nach einem der Ansprüche 1–12 entstandenen Edelmetall-Nanopartikelanordnung mindestens einem Ätzschritt, bei dem die Edelmetall-Nanopartikel als Ätzmaske wirken, womit durch selektive Ätzung in vorbestimmten Bereichen des Substrats unter Beibehaltung des Musters der Edelmetall-Nanopartikelanordnung eine gewünschte Reliefgestaltung der Substratoberfläche erzeugt wird. Bevorzugt wird dabei ein an das Substrat angepasstes Trockenätz-Verfahren verwendet. Im Falle von SiO2 z. B. ein „Reactive Ion” Ätzschritt unter Verwendung eines fluorhaltigen Ätzgases. Geeignete Verfahren sind beispielsweise in Lohmüller et al. (2008), NANO LEITERS, Bd. 8, Nr. 5, 1429–1433 beschrieben. Jedoch können auch andere im Stand der Technik bekannte und für das jeweilige Substrat geeignete Ätzverfahren angewandt werden.
The present invention also relates to a method for producing a nanostructured substrate surface, comprising the steps a) -e) according to any one of claims 1-12 and also:
  • f) subjecting the substrate to the in step a) -e) according to any one of claims 1-12 resulting noble metal nanoparticle assembly at least one etching step in which the noble metal nanoparticles act as an etch mask, thus selective etching in predetermined areas of the substrate while maintaining the pattern of the noble metal nanoparticle assembly, a desired relief design of the substrate surface is generated. In this case, a dry etching method adapted to the substrate is preferably used. In the case of SiO 2 z. B. a "Reactive Ion" etching step using a fluorine-containing etching gas. Suitable methods are, for example, in Lohmüller et al. (2008), NANO LEITERS, Vol. 8, No. 5, 1429-1433 described. However, other etch techniques known in the art and suitable for the particular substrate may be used.

Spezieller umfasst dieses Verfahren die Schritte a)–e) nach Anspruch 13 sowie ferner:

  • f) Unterwerfen des Substrats mit der in den Schritten a)–e) nach Anspruch 13 entstandenen Edelmetall-Nanopartikelanordnung, bei der verschiedene Bereiche mit unterschied lichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ein Muster konzentrischer Ringe bilden, mindestens einem Ätzschritt, bei dem die Edelmetall-Nanopartikel als Ätzmaske wirken, womit durch selektive Ätzung in vorbestimmten Bereichen des Substrats unter Beibehaltung des Musters von konzentrischen Kreisen eine Reliefgestaltung der Substratoberfläche erzeugt wird, die der einer Fresnel-Linse entspricht.
More specifically, this method comprises steps a) -e) according to claim 13 and further:
  • f) subjecting the substrate to the resulting in steps a) -e) according to claim 13 noble metal nanoparticle assembly in which different areas with different union average diameters of the noble metal nanoparticles form a pattern of concentric rings, at least one etching step in which the noble metal -Nanopartikel act as an etching mask, whereby by selective etching in predetermined areas of the substrate while maintaining the pattern of concentric circles, a relief design of the substrate surface is generated, which corresponds to a Fresnel lens.

Weitere Gegenstände der Erfindung sind die mit den obigen Verfahren erhältlichen nanostrukturierten Substratoberflächen und Anordnungen von Edelmetall-Nanopartikeln auf einem Substrat.Further objects of the invention are the nanostructured substrate surfaces obtainable by the above methods and arrangements of noble metal nanoparticles on a substrate.

Diese Anordnungen umfassen typischerweise zwei oder mehr verschiedene Bereiche von Edelmetall-Nanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 5–200 nm, vorzugsweise 5–20 nm, und einer mittleren Beabstandung im Bereich von weniger als 1 μm, vorzugsweise von 30 bis 250 nm, wobei in den verschiedenen Bereichen jeweils Edelmetall-Nanopartikel mit einem vorgegebenen unterschiedlichen mittleren Durchmesser vorliegen.These arrangements typically comprise two or more distinct regions of noble metal nanoparticles having a mean diameter in the range of 5-200 nm, preferably 5-20 nm, and an average spacing in the range of less than 1 μm, preferably 30 to 250 nm, wherein in each of the different regions noble metal nanoparticles having a predetermined different average diameter are present.

In einer speziellen und bevorzugten Ausführungsform sind die Anordnungen dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ein oder mehrere geometrische(s) Muster bilden, welche(s) den durch Beugung von Strahlung an kreisförmigen, elliptischen, rechteckigen, dreieckigen Lochblenden, Kanten oder anderen periodisch angeordneten Mustern sowie Gradienten wie graduellen Graufiltern entstehenden Diffraktionsmustern oder Helligkeitsmustern entspricht/entsprechen.In a specific and preferred embodiment, the arrangements are characterized in that the different regions with different mean diameters of the noble metal nanoparticles form one or more geometric patterns which are formed by diffraction of radiation at circular, elliptical, rectangular, triangular pinholes, edges or other periodically arranged patterns as well as gradients such as gradual gray filters resulting diffraction patterns or brightness patterns corresponds / correspond.

Besonders bevorzugt bilden die verschiedenen Bereiche ein Muster konzentrischer Ringe.Particularly preferably, the various regions form a pattern of concentric rings.

Die mit den obigen erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen nanostrukturierten Substratoberflächen und Anordnungen von Edelmetall-Nanopartikeln auf einem Substrat bilden aufgrund der Möglichkeit zur Feineinstellung der Partikelgröße mit hoher räumlicher Auflösung und präziser Darstellung von geometrischen Mustern mit mehreren, scharf getrennten Bereichen unterschiedlicher Partikelgröße vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten auf unterschiedlichsten Fachgebieten.The nanostructured substrate surfaces and arrangements of noble metal nanoparticles obtainable with the above inventive methods on a substrate form advantageous applications in a wide variety of fields due to the possibility of finely adjusting the particle size with high spatial resolution and precise representation of geometric patterns with several, sharply separated areas of different particle size.

Dementsprechend betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung dieser nanostrukturierten Substratoberflächen und Anordnungen auf den Gebieten der Biochiptechnik, Bildgebungstechnik, Elektronik, Informationsverarbeitung, Spektroskopie, Sensortechnik, Optik, Lithographie.Accordingly, another aspect of the present invention also relates to the use of these nanostructured substrate surfaces and devices in the fields of biochip technology, imaging technology, electronics, information processing, spectroscopy, sensor technology, optics, lithography.

Eine solche Verwendung ist beispielweise deren Einsatz zur Herstellung optischer und elektronischer Vorrichtungen. In einer spezielleren Ausführungsform sind die Vorrichtungen aus der Gruppe ausgewählt, welche eine Maske, insbesondere Lithographie- oder Photomaske, einen Biochip, einen Sensor, eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Fresnel-Linse, ein optisches Gitter, ein Mikrolinsenarray oder einen Transistor umfasst.Such a use is, for example, their use for the production of optical and electronic devices. In a more specific embodiment, the devices are selected from the group consisting of a mask, in particular a lithographic or photomask, a biochip, a sensor, an optical device, in particular a Fresnel lens, an optical grating, a microlens array or a transistor.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft auch die Vorrichtungen selbst, welche solche nanostrukturierten Substratoberflächen oder Anordnungen umfassen. In einer spezielleren Ausführungsform handelt es sich bei diesen Vorrichtungen um eine Maske, insbesondere Lithographie- oder Photomaske, einen Biochip, einen Sensor, eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Fresnel-Linse, ein optisches Gitter, ein Mikrolinsenarray oder einen Transistor.A further subject of the invention also relates to the devices themselves, which comprise such nanostructured substrate surfaces or arrangements. In a more specific embodiment, these devices are a mask, in particular a lithographic or photomask, a biochip, a sensor, an optical device, in particular a Fresnel lens, an optical grating, a microlens array or a transistor.

Kurzbeschreibung der Figuren:Brief description of the figures:

1 zeigt ein prinzipielles Schema zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer durch mizellare Nanolithographie (BCML) bereitgestellten Gold-Nanopartikelanordnung. 1 shows a schematic diagram for carrying out the method according to the invention with a provided by micellar nanolithography (BCML) gold nanoparticle assembly.

2 zeigt eine Gold-Nanopartikelanordnung direkt nach einer BCML ohne weitere Vergrößerungsbehandlung der Partikel (Durchmesser der Nanopartikel: ca. 9 nm). 2 shows a gold nanoparticle arrangement directly after a BCML without further enlargement treatment of the particles (diameter of the nanoparticles: about 9 nm).

3 zeigt das Ergebnis einer stromlosen Abscheidung von Gold ohne vorherige Fixierung (Silanisierung) der Nanopartikel: Inhomogenes Partikelwachstum und Zerstörung der Ordnung 3 shows the result of an electroless deposition of gold without prior fixing (silanization) of the nanoparticles: Inhomogeneous particle growth and destruction of the order

4 zeigt Gold-Nanopartikel nach Silanisierung und 2,5 Minuten UV-Bestrahlung (Durchmesser der Nanopartikel: ca. 13 nm). 4 shows gold nanoparticles after silanization and 2.5 minutes UV irradiation (diameter of nanoparticles: ca. 13 nm).

5 zeigt Gold-Nanopartikel nach Silanisierung und 3 Minuten UV-Bestrahlung (Durchmesser der Nanopartikel: ca. 15 nm). 5 shows gold nanoparticles after silanization and 3 minutes UV irradiation (diameter of the nanoparticles: about 15 nm).

6 zeigt das lokalisierte Wachstum von Gold-Nanopartikeln bei 10 Minuten UV-Bestrahlung unter Verwendung einer Maske mit einer kreisrunden Lochblende (Durchmesser ca. 1 mm); 6a: Gesamtansicht; 6b: Vergrößerung des hellen Innenraums mit stark gewachsenen Partikeln; 6c: Vergrößerung des Grenzbereichs von Innen- und Außenraum. 6 shows the localized growth of gold nanoparticles at 10 minutes UV irradiation using a mask with a circular pinhole (diameter about 1 mm); 6a : Overall view; 6b : Enlargement of the bright interior with strongly grown particles; 6c : Enlargement of the boundary area of indoor and outdoor space.

7 zeigt das lokalisierte Wachstum von Gold-Nanopartikeln bei 30 Minuten UV-Bestrahlung unter Verwendung einer Lochmaske mit wesentlich kleinerem, kreisrundem Lochblendendurchmesser als in 6: Entstehung eines Diffraktionsmusters mit konzentrischen Ringen; 7a: Gesamtansicht; 7b: vergrößerte Ringstruktur von 7a. 7 shows the localized growth of gold nanoparticles at 30 minutes UV irradiation using a shadow mask with a much smaller, circular aperture diameter than in 6 : Formation of a diffraction pattern with concentric rings; 7a : Overall view; 7b : enlarged ring structure of 7a ,

8 zeigt das lokalisierte Wachstum von Gold-Nanopartikeln bei 30 Minuten UV-Bestrahlung unter Verwendung einer weiteren kreisrunden Lochmaske; 8a: Gesamtansicht; 8b–d; Vergrößerungen des Bereichs zwischen dem dunklen Innenraum und der Kante zum hellen Innenbereich mit stark vergrößerten Partikeln. 8th shows the localized growth of gold nanoparticles at 30 minutes UV irradiation using another circular shadow mask; 8a : Overall view; 8b -d; Magnifications of the area between the dark interior and the edge to the bright interior with greatly enlarged particles.

9 zeigt das lokalisierte Wachstum von Gold-Nanopartikeln mit erkennbaren Beugungsstrukturen bei 10 Minuten UV-Bestrahlung unter Verwendung einer leicht elliptischen Lochmaske; 9a: Gesamtansicht; 9b–d: Vergrößerungen eines Grenzbereichs. 9 shows the localized growth of gold nanoparticles with detectable diffraction patterns at 10 minutes UV irradiation using a slightly elliptical shadow mask; 9a : Overall view; 9b -D: magnifications of a boundary.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung, ohne diese jedoch darauf zu beschränken.The following examples are given to illustrate the present invention without, however, limiting it thereto.

BEISPIEL 1EXAMPLE 1

Lokalisiertes Größenwachstum von Gold-Nanopartikeln ohne BeugungsmusterLocalized size growth of gold nanoparticles without diffraction patterns

Das zu belichtende Sample bestehend aus SiO2, dessen Oberfläche Gold-Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser von ca. 9 nm aufwies (2), wurde mit Silan behandelt (Gasphasenabscheidung von 3-Aminopropyltriethoxysilan (APS): Sample + 30 uL APS (in separater Schale) im Exsikkator für 30 Minuten bei 0,3 mbar. Danach 1 h bei 80°C im Ofen.) und zur Belichtung in ein kleines Gefäß gegeben. In das Gefäß wurde eine 1:1 Mischung von 0,25%iger Goldsalzlösung (HAuCl4) und Ethanol gegeben. Die Menge der Lösung wurde dabei so bemessen, dass das Sample von einem ca. 1 mm hohen Flüssigkeitsfilm bedeckt war. Anschließend wurde ohne Maske mit UV-Licht (kommerzielle UV-Lampe, Wellenlänge: 410 nm) bestrahlt. Belichtungszeiten von 2' 30'' ergaben Partikeldurchmesser von ca. 13 nm (4); Belichtungszeiten von 3' Durchmesser von ca. 15 nm (5).The sample to be exposed consisting of SiO 2 whose surface had gold nanoparticles with a mean diameter of about 9 nm ( 2 ) was treated with silane (gas phase deposition of 3-aminopropyltriethoxysilane (APS): Sample + 30 μL APS (in separate dish) in a desiccator for 30 minutes at 0.3 mbar, then 1 h at 80 ° C in the oven Exposure in a small container. To the vessel was added a 1: 1 mixture of 0.25% gold salt solution (HAuCl 4 ) and ethanol. The amount of solution was measured so that the sample was covered by a liquid film about 1 mm high. Subsequently, UV was irradiated without a mask (commercial UV lamp, wavelength: 410 nm). Exposure times of 2 '30''gave particle diameter of about 13 nm ( 4 ); Exposure times of 3 'diameter of about 15 nm ( 5 ).

BEISPIEL 2EXAMPLE 2

Erzeugung von ringförmigen Fresnel-BeugungsstrukturenGeneration of annular Fresnel diffraction structures

Fresnelbeugung tritt auf, wenn folgende Ungleichung erfüllt ist:

Figure 00140001
(F = Fresnel-Zahl, a = Blendenradius, L = Strecke Blende-Schirm, λ = Wellenlänge)Fresnel diffraction occurs when the following inequality is satisfied:
Figure 00140001
(F = Fresnel number, a = aperture radius, L = aperture diaphragm screen, λ = wavelength)

Diese Bedingung ist bei allen folgenden Experimenten erfüllt, es handelt sich also immer um Fresnelbeugung und nicht um Fraunhoferbeugung.This condition is fulfilled in all subsequent experiments, so it is always Fresnel diffraction and not Fraunhoferbeugung.

Das Beugungsintegral lässt sich nach Anwendung der Fresnelnäherung nicht analytisch lösen, sondern nur numerisch. Das entstehende Beugungsmuster reagiert dabei extrem empfindlich auf kleinste Änderungen des Abstandes oder des Blendendurchmessers. Da eine Realisierung von konstanten Bedingungen (völlig planares Sample, völlig planare Maske, keine „Wellenbildung” der Lösung,) nur mit größerem Aufwand zu realisieren ist, wurde für die nachfolgenden Versuchsanordnungen und Bilder ein einfacherer (qualitativer) Ansatz gewählt.The diffraction integral can not be solved analytically after application of the Fresnel approximation, but only numerically. The resulting diffraction pattern reacts extremely sensitive to the smallest changes in the distance or the aperture diameter. Since a realization of constant conditions (completely planar sample, completely planar mask, no "wave formation" of the solution,) can be realized only with great effort, a simpler (qualitative) approach was chosen for the subsequent experimental arrangements and images.

Das zu belichtende Sample wurde in ein kleines Gefäß gegeben. In das Gefäß wurde eine Lösung aus 1,5 ml 0,25% Goldsalzlösung (HAuCl4) und 0,5 ml Ethanol gegeben. Die Menge der Lösung war dabei so bemessen, dass das Sample von einem ca. 1 mm hohen Flüssigkeitsfilm bedeckt ist. Als Maske wurde Aluminiumfolie verwendet, die mit Löchern zwischen 0,6 mm und 2 mm perforiert ist, verwendet. Diese Maske wurde ca. 1,1 mm oberhalb des Samples angebracht. Anschließend wurde mit UV-Licht 10 oder 30 Minuten lang belichtet.The sample to be exposed was placed in a small vessel. To the vessel was added a solution of 1.5 ml of 0.25% gold salt solution (HAuCl 4 ) and 0.5 ml of ethanol. The amount of the solution was so dimensioned that the sample is covered by a ca. 1 mm high liquid film. The mask used was aluminum foil perforated with holes between 0.6 mm and 2 mm. This mask was placed about 1.1 mm above the sample. It was then exposed to UV light for 10 or 30 minutes.

6 zeigt das lokalisierte Wachstum von Gold-Nanopartikeln bei 10 Minuten UV-Bestrahlung unter Verwendung einer Maske mit einer kreisrunden Lochblende (ungefährer Durchmesser: 1 mm). Hier sieht man sehr schön den helleren Innenraum, der klar vom Außenraum mit weniger stark gewachsenen Partikeln abgegrenzt ist. Hier sind jedoch keine (zumindest keine deutlichen) weiteren Beugungsringe zu erkennen. Dies könnte z. B. an einer für die Maskengröße ungünstigen Belichtungszeit gelegen haben. 6 shows the localized growth of gold nanoparticles at 10 minutes UV irradiation using a mask with a circular pinhole (approximate diameter: 1 mm). Here you can see very nice the lighter interior, which is clearly separated from the outside space with less grown particles. Here, however, no (at least not clear) further diffraction rings can be seen. This could be z. B. have been located at an unfavorable for the mask size exposure time.

9 zeigt die Ergebnisse bei Verwendung einer leicht elliptischen Lochmaske und einer Belichtungszeit von 10 Minuten. Beugungsstrukturen sind erkennbar und diese wurden mit zunehmender Vergrößerung aufgenommen. Auch dabei wird wieder die relativ scharfe Abgrenzung der einzelnen Ringe deutlich. 9 shows the results using a slightly elliptical shadow mask and an exposure time of 10 minutes. Diffraction structures are visible and these were recorded with increasing magnification. Again, the relatively sharp demarcation of the individual rings becomes clear.

8 zeigt die Ergebnisse bei Verwendung einer kreisrunden Lochmaske und einer Belichtungszeit von 30 Minuten. Die längere Belichtungszeit führt zu einem sehr starken Wachstum an den belichteten Stellen. Dies sieht man insbesondere an der Übersichtsaufnahme (sehr helle Ringstruktur). Vergrößert wurde der Bereich zwischen dem dunklen Innenraum und der Kante zum stark vergrößerten Bereich. Die Goldpartikel in der höchsten Vergrößerung (8d) bilden eine klar erkennbare Kante. Eine rein qualitative Größenbestimmung im SEM führt zu m Radius von ca. 10 nm der kleineren (obere Bildhälfte) und ca. 17 nm der größeren Partikel (untere Bildhälfte). 8th shows the results using a circular shadow mask and an exposure time of 30 minutes. The longer exposure time leads to a very strong growth in the exposed areas. This can be seen in particular at the overview shot (very bright ring structure). The area between the dark interior and the edge has been enlarged to a greatly enlarged area. The gold particles in the highest magnification ( 8d ) form a clearly recognizable edge. A purely qualitative determination of the size in the SEM leads to m radius of about 10 nm of the smaller (upper half of the picture) and about 17 nm of the larger particles (lower half of the picture).

7 zeigt die Ergebnisse bei Verwendung einer weiteren kreisrunden Lochmaske und einer Belichtungszeit von 30 Minuten. Hier sind wieder Beugungsmuster zu erkennen. Auch ist wiederum die deutlich abgegrenzte Ringstruktur gut zu erkennen. 7 shows the results using a further circular shadow mask and an exposure time of 30 minutes. Here again diffraction patterns can be seen. Again, the clearly demarcated ring structure is clearly visible.

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Claims (25)

Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung von Edelmetall-Nanopartikeln, die auf einem Substrat vorliegen, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellung eines mit Edelmetall-Nanopartikeln beschichteten Substrats, b) gegebenenfalls Funktionalisierung des Substrats mit einem Agens, welches die Haftung der Edelmetall-Nanopartikel an dem Substrat unterstützt, c) Kontaktierung des Substrats mit einer Edelmetallsalzlösung, d) UV-Bestrahlung des Substrats in Kontakt mit der Edelmetallsalzlösung, wodurch eine Reduktion des Edelmetallsalzes und eine stromlose Abscheidung von elementarem Edelmetall auf den Edelmetall-Nanopartikeln und entsprechendes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in den bestrahlten Bereichen des Substrats veranlasst wird, e) gegebenenfalls Verwendung einer Maske, um ein lokalisiertes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in vorbestimmten Bereichen des Substrats zu veranlassen.A method for spatially resolved magnification of noble metal nanoparticles present on a substrate, comprising the following steps: a) providing a substrate coated with noble metal nanoparticles, b) optionally functionalizing the substrate with an agent which promotes adhesion of the noble metal nanoparticles to the substrate, c) contacting the substrate with a noble metal salt solution, d) UV irradiation of the substrate in contact with the noble metal salt solution, thereby causing reduction of the noble metal salt and electroless deposition of elemental noble metal on the noble metal nanoparticles and corresponding growth of the noble metal nanoparticles in the irradiated areas of the substrate, e) optionally using a mask to cause localized growth of the noble metal nanoparticles in predetermined areas of the substrate. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall aus der Gruppe aus Gold, Silber, Palladium und Platin ausgewählt ist.A method according to claim 1, characterized in that the noble metal is selected from the group consisting of gold, silver, palladium and platinum. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Edelmetall-Nanopartikeln beschichtete Substrat durch mizellare Blockcopolymer-Lithographie (BCML) oder durch Aufbringung einer Edelmetallkolloid-Schicht auf die Substratoberfläche bereitgestellt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the coated with noble metal nanoparticles substrate is provided by micellar block copolymer lithography (BCML) or by applying a noble metal colloid layer on the substrate surface. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Glas-, Si-, ZnO-, TiO2-GaAs-, GaP-, GaInP-, AlGaAs- oder SiO2-Oberfläche umfasst und dass der Funktionalisierungsschritt b) eine Silanisierung umfasst.Method according to one of claims 1-3, characterized in that the substrate comprises a glass, Si, ZnO, TiO 2 -GaAs, GaP, GaInP, AlGaAs or SiO 2 surface and that the functionalization step b ) comprises a silanization. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Agens, welches die Haftung von Edelmetall-Nanopartikeln an dem Substrat unterstützt, ein Silan ist, insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, welche aus 3-Aminopropyltriethoxysilan (APS), 3-Mercaptopropyltriethoxysilan (MPS), N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin, 3-[2-(2-Aminoethylamino)ethylamino]propyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyldimethylmethoxysilan, 3-Aminopropyl)-tris(trimethylsiloxy)silan und 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan besteht.Process according to any one of claims 1-4, characterized in that the agent which assists the adhesion of noble metal nanoparticles to the substrate is a silane, in particular selected from the group consisting of 3-aminopropyltriethoxysilane (APS), 3-mercaptopropyltriethoxysilane (MPS), N- [3- (trimethoxysilyl) propyl) ethylenediamine, 3- [2- (2-aminoethylamino) ethylamino] propyltrimethoxysilane, 3-aminopropyldimethylmethoxysilane, 3-aminopropyl) -tris (trimethylsiloxy) silane and 3-mercaptopropyltrimethoxysilane. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Edelmetallsalzlösung um eine wässrige Edelmetallsalzlösung handelt, der ferner ein Aldehyd, ein Keton oder ein Alkohol, vorzugsweise ein C1-C10-Alkohol, zugesetzt ist.A method according to any one of claims 1-5, characterized in that the noble metal salt solution is an aqueous noble metal salt solution to which is further added an aldehyde, a ketone or an alcohol, preferably a C 1 -C 10 -alcohol. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der C1-C10-Alkohol aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol und Ethylenglycol ausgewählt ist.A method according to claim 6, characterized in that the C 1 -C 10 alcohol is selected from methanol, ethanol, propanol, butanol and ethylene glycol. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Edelmetallsalzlösung um eine HAuCl4-Lösung handelt.Process according to any one of claims 1-7, characterized in that the noble metal salt solution is a HAuCl 4 solution. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Bestrahlung für eine Dauer im Bereich von 1 bis 15 Minuten und bei einer Wellenlänge im Bereich von 200 bis 600 nm durchgeführt wird.Method according to any one of claims 1-8, characterized in that the UV irradiation is carried out for a duration in the range of 1 to 15 minutes and at a wavelength in the range of 200 to 600 nm. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen der UV-Bestrahlung für mindestens zwei verschiedene Bereiche des Substrats variiert werden, sodass auf dem Substrat mindestens zwei verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel erzeugt werden.Method according to any one of claims 1-9, characterized in that the conditions of UV irradiation are varied for at least two different regions of the substrate so that at least two different regions with different mean diameters of the noble metal nanoparticles are produced on the substrate. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Bedingungen der UV-Bestrahlung eine Variation der Bestrahlungsdauer darstellt oder umfasst.A method according to claim 10, characterized in that the variation of the conditions of UV irradiation represents or comprises a variation of the irradiation duration. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt e) unter Verwendung einer Maske, die eine oder mehrere Lochblenden mit einem Lochdurchmesser < 10 μm, andere Beugungsgitter, Beugungskanten oder Gradienten wie graduelle Graufilter enthält, und unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, dass bei der Bestrahlung ein Diffraktionsmuster oder Helligkeitsmuster auf der Substratoberfläche gebildet wird und das Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel selektiv in den stärker bestrahlten Bereichen des Diffraktionsmusters oder Helligkeitsmusters veranlasst wird.Method according to any one of claims 1-11, characterized in that step e) is carried out using a mask containing one or more apertured apertures with a hole diameter <10 μm, other diffraction gratings, diffraction edges or gradients such as graded gray filters, and under such conditions in that upon irradiation a diffraction pattern or pattern of brightness is formed on the substrate surface and the growth of the noble metal nanoparticles is selectively induced in the more irradiated areas of the diffraction pattern or pattern of brightness. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt e) unter Verwendung einer Maske, die eine oder mehrere Lochblenden mit einem Lochdurchmesser < 10 um von kreisförmiger, elliptischer, rechteckiger oder dreieckiger Form enthält, durchgeführt wird.A method according to claim 12, characterized in that step e) is carried out using a mask containing one or more apertured apertures with a hole diameter <10 μm of circular, elliptical, rectangular or triangular shape. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende(n) einen kreisförmigen Durchmesser hat/haben, so dass bei der Bestrahlung ein Diffraktionsmuster von konzentrischen Ringen auf der Substratoberfläche gebildet wird und die erzeugten verschiedenen Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ebenfalls ein Muster konzentrischer Ringe bilden.A method according to claim 13, characterized in that the pinhole (n) has a circular diameter so that upon irradiation a diffraction pattern of concentric rings is formed on the substrate surface and the generated different regions having different mean diameters of the noble metal nanoparticles also form a pattern of concentric rings. Verfahren zur Herstellung einer nanostrukturierten Substratoberfläche, umfassend die Schritte a)–e) nach einem der Ansprüche 1–13 sowie ferner: f) Unterwerfen des Substrats mit der in den Schritten a)–e) nach einem der Ansprüche 1–13 entstandenen Edelmetall-Nanopartikelanordnung mindestens einem Ätzschritt, bei dem die Edelmetall-Nanopartikel als Ätzmaske wirken, womit durch selektive Ätzung in vorbestimmten Bereichen des Substrats unter Beibehaltung des Musters der Edelmetall-Nanopartikelanordnung eine gewünschte Reliefgestaltung der Substratoberfläche erzeugt wird. A method for producing a nanostructured substrate surface, comprising the steps a) -e) according to any one of claims 1-13 and further comprising: f) subjecting the substrate to the noble metal resulting from steps a) -e) according to any one of claims 1-13. Nanoparticle arrangement at least one etching step in which the noble metal nanoparticles act as an etching mask, whereby by selective etching in predetermined areas of the substrate while maintaining the pattern of the noble metal nanoparticle assembly, a desired relief design of the substrate surface is generated. Verfahren zur Herstellung einer nanostrukturierten Substratoberfläche nach Anspruch 15, umfassend die Schritte a)– e) nach Anspruch 14 sowie ferner: f) Unterwerfen des Substrats mit der in den Schritten a)–e) nach Anspruch 14 entstandenen Edelmetall-Nanopartikelanordnung, bei der verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ein Muster konzentrischer Ringe bilden, mindestens einem Ätzschritt, bei dem die Edelmetall-Nanopartikel als Ätzmaske wirken, womit durch selektive Ätzung in vorbestimmten Bereichen des Substrats unter Beibehaltung des Musters von konzentrischen Kreisen eine Reliefgestaltung der Substrat-oberfläche erzeugt wird, die der einer Fresnel-Linse entspricht.A method for producing a nanostructured substrate surface according to claim 15, comprising the steps a) - e) according to claim 14 and further: f) subjecting the substrate to the noble metal nanoparticle arrangement produced in steps a) -e) according to claim 14, in which different areas with different average diameters of the noble metal nanoparticles form a pattern of concentric rings, at least one etching step in which the noble metal nanoparticles Nanoparticles act as an etching mask, whereby by selective etching in predetermined areas of the substrate while maintaining the pattern of concentric circles a relief design of the substrate surface is generated, which corresponds to that of a Fresnel lens. Nanostrukturierte Substratoberfläche, erhältlich mit dem Verfahren nach Anspruch 15 oder 16.A nanostructured substrate surface obtainable by the method of claim 15 or 16. Anordnung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einem Substrat, wobei die Anordnung zwei oder mehr verschiedene Bereiche von Edelmetall-Nanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 5–200 nm, vorzugsweise 5–20 nm, und einer mittleren Beabstandung im Bereich von weniger als 1 μm, vorzugsweise von 30 bis 250 nm, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in den verschiedenen Bereichen jeweils Edelmetall-Nanopartikel mit einem vorgegebenen unterschiedlichen mittleren Durchmesser vorliegen.Arrangement of noble metal nanoparticles on a substrate, the arrangement comprising two or more different regions of noble metal nanoparticles having an average diameter in the range of 5-200 nm, preferably 5-20 nm, and a mean spacing in the range of less than 1 micron , preferably from 30 to 250 nm, comprises, characterized in that in each of the different areas of noble metal nanoparticles are present with a predetermined different average diameter. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ein oder mehrere geometrische(s) Muster bilden, welche(s) den durch Beugung von Strahlung an kreisförmigen, elliptischen, rechteckigen, dreieckigen Blenden, Kanten oder anderen periodisch angeordneten Mustern sowie Gradienten wie graduellen Graufiltern entstehenden Diffraktionsmustern oder Helligkeitsmustern entspricht/entsprechen.Arrangement according to claim 18, characterized in that the different areas with different mean diameters of the noble metal nanoparticles form one or more geometrical patterns which, by diffraction of radiation at circular, elliptical, rectangular, triangular apertures, edges or other periodically arranged patterns as well as gradients such as gradual gray filters resulting diffraction patterns or brightness patterns corresponds / correspond. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Bereiche ein Muster konzentrischer Ringe bilden.Arrangement according to claim 19, characterized in that the different areas form a pattern of concentric rings. Anordnung nach einem der Ansprüche 18–20, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetall-Nanopartikel aus der Gruppe aus Gold-, Silber-, Palladium- und Platin-Nanopartikeln oder Hybridpartikeln davon ausgewählt sind.Arrangement according to one of claims 18-20, characterized in that the noble metal nanoparticles are selected from the group of gold, silver, palladium and platinum nanoparticles or hybrid particles thereof. Verwendung der nanostrukturierten Substratoberfläche nach Anspruch 17 oder der Anordnung nach einem der Ansprüche 18–21 auf den Gebieten der Biochiptechnik, Bildgebungstechnik, Elektronik, Informationsverarbeitung, Spektroskopie, Sensortechnik, Optik, Lithographie.Use of the nanostructured substrate surface according to Claim 17 or the arrangement according to one of Claims 18-21 in the fields of biochip technology, imaging technology, electronics, information processing, spectroscopy, sensor technology, optics, lithography. Verwendung nach Anspruch 22 zur Herstellung einer Vorrichtung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche eine Maske, insbesondere Lithographie- oder Photomaske, einen Biochip, einen Sensor, eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Fresnel-Linse, ein optisches Gitter, ein Mikrolinsenarray oder einen Transistor umfasst.Use according to claim 22 for producing a device selected from the group consisting of a mask, in particular a lithographic or photomask, a biochip, a sensor, an optical device, in particular a Fresnel lens, an optical grating, a microlens array or a Transistor includes. Vorrichtung, umfassend die nanostrukturierte Substratoberfläche nach Anspruch 17 oder die Anordnung nach einem der Ansprüche 18–21.Apparatus comprising the nanostructured substrate surface of claim 17 or the assembly of any of claims 18-21. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der es sich um eine Maske, insbesondere Lithographie- oder Photomaske, einen Biochip, einen Sensor, eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Fresnel-Linse, ein optisches Gitter, ein Mikrolinsenarray oder einen Transistor handelt.Apparatus according to claim 24, which is a mask, in particular a lithographic or photomask, a biochip, a sensor, an optical device, in particular a Fresnel lens, an optical grating, a microlens array or a transistor.
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